路灯节能智能控制系统设计与研究.docx

1、路灯节能智能控制系统设计与研究路灯节能智能控制系统设计与研究路灯节能智能控制系统设计与研究一 前言1：研究目的和意义随着随着我国城市化水平的不断提高, 城市的路灯照明系统的不断扩大, 节约电能、提高路灯系统管理水平, 已经是急需解决的课题。目前各大城市的路灯能源利用率普遍不高。路灯电费和管理费用是政府的一项巨大的财政支出。传统的路灯节能系统存在着智能化程度低、通讯稳定程度差、路面照度分布不均等问题。寻找一种在社会效益、经济效益上均显著的管理监控系统是城市道路照明发展的必然方向。从路灯节能控制系统的成本、可靠性、信息化、应用前景等方面考虑, 采用ZigBee无线自组织无线网络技术无疑可以实现路灯

2、节能控制系统的智能化、信息化、可靠性高、低成本的目标。2：前人研究情况根据前人的研究以及结论证明此研究设计的可行性和合理性，以下是前人的一些研究结论和成果，在此作为引证。2.1 针对传统照明系统布线麻烦、节能效果差等缺点, 设计了以MSP430F2618 为微处理器, 以CC2520为射频芯片的低功耗节点硬件平台; 并结合TI公司的Z2Stack协议栈, 开发了基于ZigBee技术的智能照明系统。系统中的智能灯光节点能够根据外界光强自适应调整自身灯光亮度, 周期性采集室内光强、温度等环境信息, 并及时响应用户的控制命令。测试结果表明,该系统可达到智能控制和节约能源的目的, 具有一定的应用价值。

3、（来源基于Z igBee技术的智能照明系统设计 徐 勇1 栾晓明1 王 丹2 中图分类号: TP393. 1 文献标识码: A）2.2 对当前LED 路灯照明与传统路灯照明进行了比较, 将ZigBee 技术应用于LED 路灯照明系统, 组建了ZigBee 无线传感器网络. 详细设计了该系统的硬件电路及软件. 经对比, 此系统比传统系统在节省布线, 降低成本方面有显著的优势.（来源基于ZigBee 的智能型LED 路灯照明系统设计 郭佑民, 刘娟, 孟凡刚, 金乾坤 中图分类号: T P273 文献标志码）2.3 设计基于ZigBee 技术的路灯无线控制系统. 详细介绍了系统的网络拓扑实现和硬件

4、节点的设计方案, 给出了相应的软硬件设计和组网算法,实现了路灯的无线网络控制. 试验结果表明，在单协调器单节点组网时，组网用时20 s, 对l6 个信道进行扫描节点的接入平均用时为150 s. 在室内10 m 左右距离的数据传输速率为250 kbps；室外3075 m 距离速率为40 kbps,300 m 速率为20 kbps. 系统在发射状态下耗电为25.7 mA，接收时为29.3 mA，休眠状态下仅为2.5 A. （来源基于ZigBee 技术的路灯无线网络控制系统设计 王东东，郭文成 中图分类号： TP273 文献标识码：A 文章编号：1671024X（2009）01008405）2.4

5、路灯控制器的硬件设计、软件设计,采用的网络拓扑、控制策略、应用配置文件,并在Chipcon公司的CC2430平台上进行测试。在实际工程中成功地应用了所提出的应用方案,实现了路灯节能控制系统的智能化、信息化、高可靠性、低成本的目标,取得了明显的节能控制成效。（来源基于Zig Bee网络的路灯节能控制系统 林方键, 胥布工 中图分类号: TP 27文献标识码:A）二选题背景1：课题来源 科研项目2：目的与意义随着我国城市化水平的不断提高，城市的路灯照明系统也不断扩大，路灯照明是城市基础设施的组成部分，在城市的交通安全、社会治安、人民生活和市容风貌中居于举足轻重的地位，发挥着不可替代的作用，而且标志

6、着城市实力和成熟的程度。12 %左右，伴随我国城市现代化建设的突飞猛进，城市路灯照明取得了辉煌成果，成为一项蓬勃发展的公用事业，能源紧张和城建规模化发展形成了很大的矛盾，21 :00 后，24 :00 后，2 :00 以后，:在繁忙的时段，在大力发展建设“两型社会”的同时让路灯亮起来，让城市亮起来，亮得更科学，亮得省电省钱，ZigBee 技术作为无线传感器技术中的一种也随之发展起来，ZigBee 技术其自身的特点，。无线通信技术经过近年来的不断发展已经日益成熟，一种基于ZigBee技术的无线网络节点技术成为未来工业设备控制、环保监测、电力控制、智能楼宇、医疗保健等应用领域的新亮点，一改传统基于

7、GPRS技术的高成本无线控制方案，新型的低成本、低功耗、安全稳定、高抗干扰性的ZigBee技术解决将成为未来无线控制技术的主流应用非常广泛ZigBee技术应用前景十分广阔，全球的OEM厂商们都在积极地推出医疗、海事安全、自动化家居、恒温装置、安全监控、消费电子和仪器等设备的无线网络的ZigBee尖端科技产品，ZigBee由于Zigbee的路灯控制系统没有地面控制箱和控制线路，避免了恶意破坏而且，整个控制系统的各个模块具有高集成度，高可靠性和低功耗，低成本，体积小等优点，维护保养十分方便，只需更换相应节点即可，避免了传统控制线路本身带来许多麻烦从而大大减少了设备购置成本，建设安装成本和系统维护成

8、本。在一般情况下，使用芯片自身的信号发射强度，信号可靠的传递距离为40-100米路灯的间距一般都在20-30米，而且路灯之间没有障碍物，不会对无线信号造成阻挡。这使得在路灯管理中非常适合使用Zigbee技术而ZigBee技术以其低功耗、通信可靠、网络容量大等特点为路灯自动控制领域提供了较合适的解决方案 实现ZigBee路灯管理节能即通过高科技手段对某范围内每一盏路灯的照明的效果，时间，地点，亮度进行有效的调节和控制，达到实施有效照明，降低能源浪费的有效模式，产品节能模式通过更换低功耗的照明灯具实现节能。4：研究指导思想及技术基础4.1 指导思想从用电的浪费中入手实施节电, 兼顾用电与节电需求间

9、的平衡, 实现两者的和谐统一。智能照明节能控制系统节电的设计思想针对路灯照明中的浪费情况, 泰州市前进机电制造有限公司研制生产的“智能照明节能控制系统”产品, 采取在保证用电需求的前提下, 点着灯帮用户节电的设计思路, 从路灯照明的供电源头，直至使用各个环节中存在的浪费现象, 以及优化路灯照明光源使用分布和方便路灯管理、控制的角度, 对路灯照明的节电提供完整而系统的解决方案。 技术基础总体设计部分基于ZigBee技术，ZigBee技术是无线网络技术的其中之一. ZigBee 技术是依据IEEE802. 15. 4 标准的一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,主要应用在

10、短距离范围内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间, 在数千个微小的传感器之间相互协调实现信.ZigBee 采用了2003 年发布的IEEE802. 15. 4 协议标准作为其物理层和媒体接入 MAC 层的标准协议. 2001 年8 月成立的ZigBee 技术联盟为不同厂家生产的设备提供了统一的解决方案,解决其相互间的兼容性问题. ZigBee 技术的网络层由ZigBee 技术联盟制定, 应用层则由用户根据自己的应用需要对其开发利用.模拟路灯节能控制系统部分基于PWM 脉宽调制技术，采用STC12C5A60S2 完成对模拟路灯系统的控制。既能通过键盘设定系统时间、控制支路和独立控制单只路灯开关

11、灯时间，又能自动检测环境光亮度控制开关灯，并可以自动检测交通状况自动调节路灯亮度。采用恒流源、PWM 脉宽调制和故障检测电路，对路灯进行功率调控和故障判断，从而实现对路灯的节能控制。三 方案论证1：方案的选定1.1 传统路灯的控制方式传统的路灯控制方式 3 有人工控制, 时控方式, 电力载波控制, GSM 短消息控制, CDPD Cellular Dig ital Packet Data 蜂窝数字分组数据等. 人工方式是工作人员根据开关灯的时间表手动进行开关灯的操作, 时控方式是以时间作为开关灯的唯一根据,电力载波控制易受电力线强磁场的干扰, GSM 短消息控制必须通过手机, 费用较高. 上述

12、五种传统的路灯控制方式存在的问题是: 运行操作结果不能集中监视, 记录和统计, 达不到量化管理的要求, 不适应城市现代化的发展.在路灯的控制方面, ZigBee 技术结合传感器技术组成的网络同样解决传统控制中存在的问题: 1 选用特殊的亮度传感器可以实时采集光亮强度, 大大降低了特殊环境, 特殊时间误开误关的几率, 脱离了人工干预. 2 ZigBee 技术采用直接序列扩频技术, 保证信号传输的可靠性, 避免其他信号的干扰.3 CC2430 芯片的低功耗, 延时短, 协议框架简单,安装方便.1.2 LED 路灯照明与传统的路灯照明的比较我国十一五 规划明确提出了节能减排的主要目标, 单位国内生产

13、总值能消耗比十五期末降低了20%左右，主要污染排放总量减少10%。全球每年照明用电要达到2 400 亿度以上, 如果一半的传统照明光源被LED 照明光源取代可省700 亿度电, 相当于700 亿元. 在环保方面, 中国每年至少要用30 亿个灯和日光灯管, 产生30 万t 很难回收的玻璃垃圾, 还有2 万kg 的剧毒汞, 环境造成巨大的污染. 随着LED 行业技术发展的不断成熟, 加上国家政策的支持和导向, 目前国内外众多传统照明巨头纷纷投入到半导体照明的开发中, 根据 十一五 规划, 未来我国将开展十大节能工程, 其中绿色照明, 推广高效节电照明系统将是一个重要内容.目前道路照明仍以高压钠灯或

14、金卤灯光源为主, LED照明主要采用LED 作为发光光源. LED 路灯尚处于示范推广向大规模应用的过渡阶段. 但是随着产品稳定性的提升和产品价格的下降, LED 路灯具有非常强的成长性. 相对于传统路灯, LED 照明道路具有以下优势:1 扩大了照明范围, 2 提高了照明均匀度, 3 低能耗 相同照度下能耗仅为高压钠灯的40% , 节能50% 以上 , 4 长寿命 有效使用寿命长达70 000h , 5 智能控制, 免维护,环保无污染等. 由器和终端节点3 种. 其中, 协调器的硬件结构框图如图1 。1.3 Zigbee自身的技术低功耗。在低耗电待机模式下,2 节5 号干电池可支持1个节点工

15、作624个月,甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比较蓝牙能工作数? 周、WiFi可工作数小时。 现在，TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee节点。该节点采用Micropelt公司的热电发电机给TI公司的Zigbee提供电源。 低成本。通过大幅简化协议 不到蓝牙的1/10 ,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2 美元。 低速率。Zigbee工作在20250 kbps的较低速率,分别提供250 kbps 2.4GHz 、40

16、kbps 915 MHz 和20kbps 868 MHz 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。 近距离。传输范围一般介于10100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到13 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。 短时延。Zigbee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要310 s、WiFi 需要3 s。 高容量。Zigbee 可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254 个子节点;同时主节点还可由上

17、一层网络节点管理,最多可组成65000 个节点的大网。 高安全。Zigbee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单 ACL 防止非法获取数据以及采用高级加密标准 AES 128 的对称密码,以灵活确定其安全属性。 免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗 ISM 频段,2. 4 GHz 全球 、915 MHz 美国 和868 MHz 欧洲 。ZigBee 技术的路灯无线控制系统由安装在:路灯杆上的微处理器系统（RFD）、控制中心监控系统和实现网络互联的无线通讯系统（ROUTER）组成， 安装在路灯杆上的微处理器系统是由一个光线传感器、路灯调光控制器、通讯控制系统、直流电源等组

18、成的终端控制系统. 系统通过具有自动路由功能的无线通讯控制器（ROUTER）将RFD 节点和监控中心进行无线连接，从而实现对路灯的无线自动控制.四 设计论述（一）：总体设计1：系统组成及工作原理基于ZigBee 技术的路灯无线控制系统由安装在路灯杆上的微处理器系统（RFD）、控制中心监控系统和实现网络互联的无线通讯系统（ROUTER）组成 3. 安装在路灯杆上的微处理器系统是由一个光线传感器、路灯调光控制器、通讯控制系统、直流电源等组成的终端控制系统. 系统通过具有自动路由功能的无线通讯控制器（ROUTER）将RFD 节点和监控中心进行无线连接，从而实现对路灯的无线自动控制.本系统采用串状无线

19、网络结构4，如图2 所示节ROUTER 可以安装在道路旁边等任何地方，作为无线节点的中继控制器， 以达到远程控制的目的. 同时它自己也可以作为RFD 节点使用，用来控制路灯打开和关断. 而RFD 节点只需接收无线信号指令来控制自己的路灯状态.整个系统网络由网络协调器控制，路由节点传递信号并且控制自己的路灯，而RFD 节点只是接收信号并根据信号控制自己的路灯. 也可以不用RFD 节点，只由网络协调器和路由节点组成. 不过为了降低成本，在道路的尽头地方可以放置一些RFD 节点.2：节点硬件电路设计本系统采用的无线收发器是CC2430. 它出自挪威Chipcon 公司， 是符合IEE. 标准的片上Z

20、igBee 产品. 它在单个芯片上整合了ZigBee 射（RF） 前端、内存和微控制器. 它使用1 个8 位MCU（8051）、并具有128 kb 可编闪存和8 kb 的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、4 个定时器（Timer）、看门狗定时器、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21 个可编程I/O 引脚.CC2430 只需要极少的外围元器件， 其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路两部分芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供. 射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，同时为芯片内部的PA 及LNA 提供直流偏置

21、.图3 为CC2430 芯片的硬件应用电路. 该电路使用1 个非平衡天线连接非平衡变压器，可使天线性能更好. 电路中的非平衡变压器由电容C34l 和电感L341、L321、L331 以及1 个PCB 微波传输线组成，整个结构满足RF 输人/输出匹配电阻（50 ） 的要求.R221 和R26l 为偏置电阻， 电阻R221 主要用来为32MHz 的晶振提供1 个合适的工作电流. 用1 个32MHz 的石英谐振器（X1）和2 个电容（C191 和C211）构成1 个32 MHz 的晶振电路. 用1 个32.768 kHz 的石英谐振器（X2）和2 个电容（C441 和C431）构成一个32.768

22、kHz 的晶振电路. 电压调节器为所有要求1.8 V电压的引脚和内部电源供电，C241 和C421 是去耦合电容，用来实现电源滤波，以提高芯片工作的稳定性.对于模拟部分设计， 为了降低其他部分的干扰，提高RF 性能，需要采取抗干扰措施. 例如，模拟电源输入端增加磁珠或电感； 模拟地和数字地要分开布线，并在一点接地；为了减小分布参数的影响，铺地要尽可能大，并且要适当打上过孔；滤波用的电容要尽量靠近芯片，另外要注意阻抗匹配。路灯无线网络控制系统的网络协调器需要显示当前网络状态， 所以网络协调器由CC2430、串口部分、按键和液晶显示组成. 电路框图如图4 所示. RFD节点和ROUTER 节点由C

23、C2430、光敏电阻、串口扩展接口、路灯调光控制电路组成。如图5 所示.网络协调器利用CC2430 的I/O 口直接控制液晶显示，并通过串口进行数据输出和程序调试，由S1 和S2 来控制整个网络路灯的开关状态. 它还随时监控按键，如有按键按下，它将通过网络发送数据到各个路灯控制节点，并显示当前整个网络的电源开关情况.RFD 节点和ROUTER 节点也可以检测自己当前的光线情况， 通过判断光线情况来决定是否打开路灯，实现节能控制。 3 软件程序设计本文应用IAR Embedded Workbench 开发环境，在TI 提供ZStack-0.-. 协议栈的基础上，编写了本系统的应用程序代码. ZS

24、tack 协议栈提供了一些应用接口， 如aplFormNetwork （）、aplJoinNetwork （）、aplSendMSG（）等函数，用户可以通过调用这些函数来编写自己的开发与应用程序.31 软件流程在系统工作的过程中，网络协调器会定时检测有无按键按下， 用以执行相应的电源开关命令. 网络协调器处于空闲状态时，会监听空中的无线信号，判断有无新的节点要加入网络， 有则为其分配网络地址. ROUTER 节点通常处于监控状态，如果接收到电源开关的命令，则执行命令，并确定是否转发，同时根据光敏电阻的返回值确定路灯的开关，以到达智能化节能控制. 而RFD 节点的功能则更简单，只需随时监听，根据

25、光线的强弱执行命令. 3 种设备的通信流程图如图6、图7、图8 所示.网络协调器工作首先初始化CC2430 和液晶屏，然后初始化协议栈并打开中断. 之后程序开始格式化一个网络，如果网络格式化成功，在液晶屏上显示相应的网络协调器的物理地址、现在建立网络的网络ID号和频道号. 此后程序给予发送数据的地址， 这个地址是可变的，如需要点亮一段路灯，可对此修改.对于路由节点，程序首先初始化CC2430，然后打开传感器电源，之后初始化协议栈，并开始发送加入网络请求信号，等待网络协调器或前面的路由器节点响应，并给自己分配网络地址. 如果加入网络成功，通过串口扩展口可以得到网络的网络地址、路由节点自己的物理地

26、址和加入的网络协调器或前面路由节点的物理地址等数据. 在RFD 节点上程序同样首先初始化CC2430，打开传感器电源. 之后初始化协议栈，并开始发送加入网络请求信号，等待前面的路由器节点响应，并给自己分配网络地址. 如果加入网络成功，同样通过串口扩展口可以得到加入网络的网络地址、自己的物理地址和加入的路由器节点的物理地址等数据信息.。32 网络的建立在ZigBee 网络中， 网络协调器具有建立一个网络、维护邻居设备表、对逻辑网络地址进行分配、允许设备MAC 层/应用层的连接或断开网络的功能. 网络协调器在进行一些初始化之后， 调用aplFormNetwork（）来建立网络. 协调器通过扫描一个

27、空信道来建立一个新的网络，然后选择一个随机的PANID 并开始监听此信道. 同时协调器还有一个目前连接设备的列表，以支持其他设备加入网络. 网络建立程序如下：void main （void） .hallnit（）； /硬件初始化apllnit（）； /初始化协议栈模块.aplFormNetwork（）； /建立网络while（apsBusy（） apsFSM（）； /等待网络建立成功while（1） apsFSM（）； /运行协议栈 . 33 网络的加入当一个网络建立成功后， 便要考虑路由节点和RFD 节点如何加入到网络中去. 路由节点和RFD 节点通过调用aplJoinNetwork（）函数

28、加入到协调器建立的网络中. 路由节点和RFD 节点扫描信道找到协调器并申请加入网络，获取协调器的地址，同时将自己的地址发送给协调器. 网络加入成功后， 网络节点则进入休眠状态， 直到有命令或数据发送时才被唤醒. 网络加入程序如下：void main （void） hallnit（）； /硬件初始化apllnit（）； /初始化协议栈模块.do aplJoinNetwork（）； /加入网络while（apsBusy（） apsFSM（）； /等待格式化网络完成 while （aplGetStatus（）WXLPAN_STATUS_ SUCCESS）；while（1） apsFSM（）； /运行

29、协议 （二）模拟设计部分模拟设计部分主要是针对“基于ZigBee 技术的路灯无线控制系统由安装在路灯杆上的微处理器系统（RFD）”做了设计研究。1：总体设计方案1. 1 设计思路设计采用PWM 脉宽调制技术和恒流源电路对路灯的驱动和亮度调节。通过单片机和传感器及其检测电路完成路灯工作状态的控制。显示部分利用液晶显示模块，菜单式操作，显示时间、故障路灯地址、支路开关灯时间、每只灯的开关时间等功能。12设计原理根据模拟路灯节能控制系统结构图，将整体电路分成为五部分: 环境控制电路、时钟电路、交通状况的传感器检测电路、显示控制模块、LED 恒流驱动及故障检测电路。1. 2. 1 环境控制电路利用光敏

30、电阻的阻值与光照度呈反比例关系，采样其两端的电压信号，利用采样的电压信号通过施密特触发器输出的TTL 电平来控制LED 灯的开关。电路可靠，有效地避免由于短时间光照剧烈变化引起的误动作，操作者可以通过电位器方便的进行调试。1. 2. 2 时钟电路使用时钟专用芯片DS1302 进行时钟控制， 通过外加很少的电路就可以实现高精度的时钟信号。外围电路简单可靠，时间精度高，采用串口通信可以节省I /O 口的资源，通过外接锂电池后可以实现时间信息储存。1. 2. 3 交通状况的传感器检测电路使用红外传感器， 来判断物体是否通过相关位置，并送入单片机判断执行相关程序。它具有光电传感器的优点，又避免了LED

31、 灯的灯光干扰。1 .2. 4 LED 恒流驱动及故障检测电路利用三端可调稳压集成块LM317，实现恒流输出。PWM 脉宽调制法来控制灯的亮度，可以精确的控制灯的亮度和功率，而且LED 灯在从暗到亮的变化中过度平滑。可以选用单片机内部集成有两路PWM脉宽，能方便的产生所需要的PWM 脉宽调制信号。1. 3 系统组成1. 3. 1 根据以上的设计思路及设计原理确定系统组成框图如图A图A 系统组成框图1.3. 2 每只LED 灯控制逻辑关系图如图B所示。图B LED 灯控制逻辑关系图在规定的时间条件成立 开灯时间 或环境明暗条件成立 暗到一定程度 的情况下开灯; 当有物体 如人、车等 通过到规定的

32、区域内时灯亮， 当物体离开规定区域时灯灭，实现节能要求。2 单元电路设计2. 1 环境光控制电路设计.控制电路环境控制电路是对环境光亮度的检测，将检测信号送单片机P15， 从而实现自动开灯关灯。图C为环境控制电路图。 图C 环境控制电路图明暗检测采用光敏电阻RG1 和R12 RP2 分压，提取电压信号，送到由555 定时器组成的施密特触发器。当环境暗到一定程度 通过RP2 可以方便的调节 ，RG1 阻值上升，施密特触发器翻转， 将电平信号送单片机处理。C8 为抗干扰设计， 如天暗时，闪电的干扰，C8 使555 的2 脚电压不会突变，防止误动作。D2 为指示灯，方便调试。.控制电路仿真及分析 1 由于是仿真电路，实际仿真中RG1光敏电阻用定值电阻R代替，实际仿真中R和滑动变阻器联合起来使用能够起到光敏电阻感应光亮度变化的作用，其中R有范围